清远高新区企业先导科技：引领砷化镓技术革新走出半导体领域新赛道

  日常生活中，人们常见的交通红绿灯、常用的体感摄像头、手机人脸识别，以及高端的汽车无人驾驶系统、太阳能电站等，这一些产品的背后，都有着先导科技集团（以下简称“先导”）生产的半导体砷化镓的身影。

  砷化镓是第二代半导体材料的典型代表，也是当代国际公认的继“硅”之后最成熟的化合物半导体材料，是光电子和微电子工业最重要的支撑材料之一。先导是当前全球砷化镓前三大供应商之一，在其位于清远高新区的生产基地里，有全球最大的砷化镓生产车间。在这里，近千台晶体“生长炉”，每月能轻松实现数十万片砷化镓衬底片的产出，这些衬底片大范围的应用于半导体、红外、激光、消费电子等行业。

  2022年，在广东省高新技术企业协会公布的《2021年广东省名优高新技术产品名单》中，由先导研发的“6寸双抛砷化镓”凭借先进的生产水平、优异的技术指标等综合优势，成功获评为2021年广东省名优高新技术产品。

  进入数字化时代，芯片的重要性愈发凸显。而在这其中，晶圆材料是核心承载物之一。硅作为第一代半导体材料，已经没办法满足更高压、更大功率和低损耗等特性需求。在LED显示、5G、新能源汽车等市场应用的扩围背景下，以砷化镓为代表的第二代半导体应用市场在此间被逐步培育壮大。

  走进先导的展厅，与光盘外形相似的大大小小的深灰色圆盘整齐地陈列于展厅显眼的位置，这些正是不同直径的砷化镓衬底。这些灰色的小圆盘看似普通，实则却是当下不少高精尖产品中离不开的芯片衬底。

  砷化镓具有高频率、高电子迁移率、高输出功率、低噪音以及线性度良好等优越特性，是目前光电及手机网通高频通信不可或缺的元件，近几年随着物联网、车联网及Al应用激增，各国加速布建5G基本的建设，加上手机导入脸部辨识功能，带动砷化镓的需求大增。

  “砷化镓可以直接发光，我们常见的LED类显示屏，红光、黄光都是砷化镓材料制的，尤其是红绿灯标识等，现在路上用的红绿灯90%里面都有先导集团生产的砷化镓。”广东先导微电子科技有限公司总经理周铁军介绍。

  此外，由于频率高，传输速度快，砷化镓还普遍用于手机信号的接收与发送。“通常，个人会使用的4G手机里有7颗砷化镓芯片，5G手机里大概有14颗的砷化镓芯片，以后会慢慢的多，它的应用非常广。”周铁军介绍。另外，砷化镓也可应用于太阳能领域，它能吸收更多光谱，光电转换效率非常高。

  据悉，先导于2012年新成立的先导先进材料公司（现为广东先导微电子科技有限公司），开始主要承接砷化镓这一化合物半导体材料的制备及应用。周铁军介绍，生产砷化镓衬底的原材料包括金属镓、砷等，由于自然界不存在天然的砷化镓单晶，需要通过人工合成制备。砷化镓衬底生产设备主要涉及晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测与测试设备等。

  周铁军介绍，就全球应用领域而言，砷化镓衬底的产品从2英寸到8英寸的需求都有。而砷化镓在从2英寸晶圆迭代到如今的8英寸左右晶圆过程中，最大的难点就是晶体生长。

  “我们在晶体生长的时候，晶体加热器的温度是从外向里进行辐射，在辐射过程中，晶体中心温度能达到所需要温度的时候，实际外面的温度已超越了我们所需要的温度了，但我们把外面的温度调低之后，里面的温度又低于生长的温度，很难将中心和外面的温度调一致，因此晶体生长环境的搭建也很复杂。”

  要解决该问题，需要有专人与设备研发部门进行配合，联合甚至共同开发改进试验和生产设备。

  “好在，依托先导科技集团在稀散金属材料科技领域的优势地位，通过持续研发投入，终于在2、4、6、8英寸砷化镓衬底领域实现产品性能达到头部大厂的水平。”周铁军介绍，晶圆的整个评价体系主要有几何参数、洁净度以及电性能等。几何参数即晶圆的大小平整度，要求晶圆表面要达到几微米甚至几纳米的误差，平整度要求很严格。洁净度，即晶圆里面的杂质、元素含量或者颗粒要求非常洁净。“我们的加工条件是十级的洁净环境，产品性能紧贴全球核心水平。”

  当前市场上主流的砷化镓衬底尺寸是4寸砷化镓和6寸砷化镓衬底，但随着科学技术的发展的新趋势，未来市场对大直径衬底的需求也会慢慢的广。周铁军介绍，先导在2020年开始研发8英寸砷化镓产品，目前8英寸的产品已经投入市场。

  周铁军坦言，由于研发技术的限制，当前全球生产砷化镓的行业整体规模较小。在先导刚进入第二代半导体材料市场时，砷化镓的市场占有率主要被日本、德国和美国的3家企业垄断，国内也仅有一两家企业处于生产起步阶段。

  而先导研发的砷化镓面向市场以后，凭借其在稀散金属材料科技领域的优势地位，实现了更低的生产所带来的成本控制，这为先导用较低的价格抢夺市场创造了契机。

  根据法国调查研究机构Yole Développement于2020年发布的报告数据显示，2017至2019年间，全世界内砷化镓晶圆供应商的市场占有率排名中，先导集团以98%的年增速，位居行业第三，市场占有率为17%。

  近几年来，得益于集团投入的高产能VGF（垂直梯度冷凝）生产线，当前先导的砷化镓衬底片达到每年数百万片，2023年出货金额超过3亿元。

  “目前集团拥有全球先进的6寸VCSEL晶圆量产平台，在外延材料及砷化镓基芯片市场占据优势。”周铁军说。

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